EP0663562A2 - Process and burner for reducing harmful gas emissions during combustion - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for reducing harmful gas emissions during combustion according to the preamble of claim 1 and a burner for carrying out the method according to the preamble of claim 11.
- NOx nitrogen oxide
- the nitrogen oxides generated as by-products during combustion are considered to be the cause of acid rain and the increased ozone formation (damage to forests and people).
- NOx is formed on the basis of the nitrogen that is organically bound in the fuel.
- Promt NO is also formed by free oxygen reacting during the combustion process.
- the previously known low-pollutant combustion processes and the associated combustion devices involve NOx reduction measures for near-stoichiometric combustion, avoidance of flame temperature peaks through recirculation of combustion exhaust gases into the combustion zone and multi-stage combustion by dividing the required amount of oxygen into at least two partial flows.
- the flames can be cooled by recirculation of combustion gases and mixing into the combustion zone or by internals in the combustion zone. The internals are exposed to strong heat, so that they are subject to high wear.
- Laval nozzles in which the pressure energy is converted into speed, have been proposed for generating the pulsed flow of the main oxygen stream (US Pat. No. 5,104,310).
- burner stones for flame stability while simultaneously reducing the primary oxygen quantities to 1 to 5% leads to additional costs, since the burner stones are made of high-quality materials and are exposed to premature wear due to the high thermal loads.
- the invention has for its object to provide a method and a device that allow an oxidation of fuel with a predominantly oxygen-containing oxidizing agent under economic conditions with simultaneously lower pollutant formation (NOx) over a large control range.
- this object is achieved in a generic method by the characterizing features of claim 1 and in a burner for carrying out the method by the characterizing features of claim 11.
- the achievement of the greatest possible additional gain in an impulsive flow of the main oxygen flow, which is necessary for the recirculation of the combustion exhaust gases, is achieved according to the invention in that the oxygen-containing oxidizing agent with a minimum oxygen content of 90% to a temperature greater than 100 ° C by the combustion exhaust gases or by an external Device is preheated.
- This enables a pulsed flow of at least 23.6 N / MW related to the combustion output to be generated.
- the pulsed flow of the main oxygen flow required for the mixing in of the combustion gases is almost compensated for by changes in the burner's output (reduction in the amount of the main oxygen flow) by increasing the preheating temperature in the control range of 1: 8.
- the design of the nozzles for the main oxygen flow with an outlet cross-section of at least 350 mm2 / MW related to the combustion output ensures that the flow conditions adapt to the changing burner output and thus decisively enable the economical use of the fuel under environmentally satisfactory conditions, with a stable flame signal for safety-related monitoring of the burner over the entire control range is.
- the inventive arrangement of the main oxygen nozzles has created favorable conditions for the outer diameter of the burner to be small.
- the arrangement and dimensions of the supply duct for the primary oxygen flow in the water-cooled supply duct for the fuel and the predetermined primary oxygen temperature of ⁇ 30 ° C ensure that a stable pilot flame with small amounts of primary oxygen is guaranteed, which provides a sufficient UV signal to monitor the Brenners delivers. This avoids temperature peaks in the flame root due to the low primary oxygen flow with far below stoichiometric combustion. There is no need to use burner stones.
- the method according to the invention and the burners according to the invention reduce the harmful gas emissions and are particularly suitable for heating industrial furnaces due to stable and complete combustion.
- the tightened Limit values for nitrogen oxides and carbon monoxide are well undercut, so that the entire furnace system can be operated economically under environmentally friendly conditions.
- the new process can be carried out with gaseous and / or liquid atomized fuel.
- the burner shown in FIG. 1 consists of a central supply duct 14 for the primary oxygen flow which is arranged on the central axis 10 of the water-cooled supply duct 16 for fuel flow and is therefore surrounded concentrically by the supply duct 16.
- the supply duct 14 is arranged to be displaceable in the supply duct 16 for the fuel flow in accordance with the arrows 21 and preferably closes on one level with the outlet of the supply duct 16 for the fuel flow.
- the supply channel 16 for the fuel flow is surrounded concentrically by supply channels 17a, 17b for a cooling medium, preferably water.
- the cooling medium flows via line 18 into the supply channel 17a, is led to the immediate vicinity of the outlet 19 of the fuel flow, is deflected here and flows via line 20 from the supply channel 17b.
- supply ducts 13 for main oxygen are arranged outside of the water-cooled supply duct 16 for the fuel flow.
- the supply channels 13 are connected via a ring channel 22 and line 23 to a supply source for oxygen, not shown.
- the supply channels 13 for the main oxygen flow are arranged at a lateral distance from the supply channels 17a, 17b for coolant.
- the eight feed channels 13 shown in FIGS. 1 and 2 consist of separate tubes and, starting from the annular channel 22, run essentially parallel to the central axis 10 up to the vicinity of the outlet 19 of the fuel flow, bend here and each open into a nozzle body 33 arranged eight main oxygen nozzles 24 to 31. At least are advantageous two, preferably at least four main oxygen nozzles are provided on a circle 32.
- the outlet channels 11, 12 (FIG. 1) of the main oxygen nozzles run parallel to the outlet channel 9 of the water-cooled feed channel 16 for the fuel flow and have a minimum center distance L from one another which is a multiple, preferably at least 3 times, the nozzle diameter d a of the main oxygen nozzles.
- the water-cooled supply duct 16 is at the outlet 19 of the fuel at a distance A from the outlet ducts 11, 12 of the main oxygen nozzles 24 to 31 due to the inequality A ⁇ 3.9 d a has a certain value, where d a is the diameter of the outlet channels 11, 12 of the main oxygen nozzles.
- the burner is arranged in a closed combustion chamber 35.
- a primary oxygen stream flows via line 36 into the feed channel 14 and a fuel stream flows into the water-cooled feed channel 16 via line 37.
- the outlet channel 9 for the fuel stream is designed according to an embodiment not shown in detail as a nozzle which narrows towards the outlet 19 and constricts the fuel flow.
- the speed of the primary oxygen flow is between 1.5 and 10 m / s and the gaseous fuel flow between 15 and 75 m / s.
- the proportion of primary oxygen is at least 0.4% of the stoichiometrically required amount of the oxidizing gas. After ignition, fuel partially burns with the primary oxygen.
- a stable pilot flame is formed which emits a sufficient signal for a sensor which is preferably designed as a UV light receiver 34 and which is connected to an evaluation unit for monitoring the burner.
- the primary oxygen stream flows into the feed duct 14 at a temperature ⁇ 30 ° C.
- the main oxygen stream is preheated to a temperature of at least 100 ° C. before being oxidized with the fuel.
- the preheating takes place via the radiant heat of the combustion exhaust gases.
- the supply ducts 13 for the main oxygen are on the outside and, as shown in the burner according to FIG.
- the main oxygen flows via the line 23 into the supply duct 13a, which is acted upon by the radiant heat of the combustion exhaust gases.
- the main oxygen flow is deflected via feed channels 13b, 13c running parallel to the central axis 10 before it emerges from the main oxygen nozzles 24 to 31.
- a device 38 for the main oxygen is via line 23 Preheating connected, by means of which the main oxygen is preheated to at least 100 ° C. 1 and 3, the supply duct 13 for the main oxygen is surrounded by a supply duct 39 for a cooling medium, which flows into the supply duct 39 via line 40, is deflected in the region of the outlet 19 of the fuel and out via line 41 to the burner.
- This burner can be operated at high furnace temperatures.
- the main oxygen stream emerging from the main oxygen nozzles 24 to 31 of FIGS. 1 to 4 of the burner flows with a pulse stream related to the combustion output with stoichiometric combustion of at least 23.6 N / MW and a speed of greater than 310 m / s. It causes an intensive recirculation of the combustion exhaust gases, which mix with the main oxygen flow and the fuel gas and primary oxygen flow.
- the fuel pulse flow, based on the combustion output, of at least 0.5 N / MW at the outlet 19 is, depending on the type of fuel, between 2% and 30%, preferably between 2% and 18% of the pulse flow of the oxidizing gas.
- the oxygen content of the oxidizing gas is advantageously at least 90%.
- the burners described in the exemplary embodiments in connection with FIGS. 1 to 4 for carrying out the method are distinguished in that the nitrogen oxide emissions are drastically reduced.
- 5 shows the NOx content of dry combustion exhaust gas as a function of the furnace temperature.
- the hatched area A illustrates the NOx emissions from conventional natural gas / oxygen burners that work without measures to reduce NOx. In the entire temperature range, the NOx emissions are far above the limit value of 500 mg / m3 of the TA-Luft.
- the results of the NOx emissions of the method according to the invention are shown in hatched area B as a function of the natural gas quality and the furnace temperature. As shown in FIG. 5, the burner operating according to the method of the present invention has considerably more favorable conditions, with the TA air limit being significantly undercut.
- the reduction rates become even clearer when the method according to the invention is used for the harmful gases NOx and CO if the emissions are related to the enthalpy.
- the limit values according to TA-Luft are approx. 450 mg / kWh for NOx and approx. 90 mg / kWh for CO.
- the actual values of the lower curve of area B are between 3.5 and 28 mg / kWh for NOx and between 6.0 and 18 mg / kWh for CO. The result of this is that the process according to the invention produces the lowest harmful gas emissions while at the same time using energy economically.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von Schadgasemissionen bei der Verbrennung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und einen Brenner zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruches 11.The invention relates to a method for reducing harmful gas emissions during combustion according to the preamble of claim 1 and a burner for carrying out the method according to the preamble of
Verbrennungsprozesse, die mit Sauerstoff als Oxidationsmittel arbeiten, wurden in der Vergangenheit immer dann angewendet, wenn die Leistungssteigerung einer Ofenanlage, die Einsparung von Primärenergie oder die Reduzierung des Volumens der Verbrennungsabgase gefordert waren. Neben diesen hauptsächlichen Vorteilen einer Sauerstoffanwendung wurden das Zündverhalten und die Flammenstabilität verbessert und es können höhere Prozeßtemperaturen erreicht werden.In the past, combustion processes that work with oxygen as an oxidizing agent have always been used when increasing the performance of a furnace system, saving primary energy or reducing the volume of combustion gases. In addition to these main advantages of an oxygen application, the ignition behavior and flame stability have been improved and higher process temperatures can be achieved.
Die Verbrennungsprozesse wurden in der Vergangenheit vorrangig hinsichtlich des Ausbrandes optimiert, indem die entstehenden CO-Gase und CH-Verbindungen vollständig verbrannt wurden.In the past, the combustion processes were primarily optimized with regard to burnout by completely burning off the resulting CO gases and CH compounds.
Die um 800 bis 1000°C höheren adiabatischen Flammentemperaturen bei Einsatz von technisch reinem Sauerstoff gegenüber einer Brennstoff/Luft-Verbrennung führen zu einer starken Stickstoff-Oxid (NOx)-Bildung.The 800 to 1000 ° C higher adiabatic flame temperatures when using technically pure oxygen compared to fuel / air combustion lead to strong nitrogen oxide (NOx) formation.
Die als Nebenprodukte bei der Verbrennung anfallenden Stickstoffoxide werden als Ursache für sauren Regen und die verstärkte Ozonbildung (Schädigung der Wälder und Menschen) angesehen.The nitrogen oxides generated as by-products during combustion are considered to be the cause of acid rain and the increased ozone formation (damage to forests and people).
Obwohl die Abhängigkeiten und qualitativen Anteile der NOx-Bildungsmechanismen noch nicht vollständig geklärt sind, gilt heute als sicher, daß die Flammentemperatur > 1300°C, die Verweilzeit des Sauerstoffs bei hohen Temperaturen und der Sauerstoffpartialdruck die hauptsächlichsten Einflußgrößen der thermischen NOx-Bildung sind.Although the dependencies and qualitative proportions of the NOx formation mechanisms have not yet been fully clarified, it is now considered certain that the flame temperature> 1300 ° C, the residence time of oxygen at high temperatures and the oxygen partial pressure are the main influencing factors of thermal NOx formation.
Gleichzeitig wird NOx auf der Basis des im Brennstoff organisch gebundenen Stickstoffs gebildet. Ferner kommt es zur Promt-NO-Bildung, indem freier Sauerstoff während des Verbrennungsablaufes reagiert.At the same time, NOx is formed on the basis of the nitrogen that is organically bound in the fuel. Promt NO is also formed by free oxygen reacting during the combustion process.
Die Hauptanforderungen, die an eine schadstoffarme Verbrennung gestellt werden, wie stabiles Zündverhalten, Ermöglichung großer Regelbereiche ohne Flammeninstabilitäten und Gewährleistung eines vollständigen Ausbrandes haben die Verbrennungskonzepte und die Gesichtspunkte der notwendigen Brennerkonstruktionen maßgeblich beeinflußt.The main requirements placed on low-pollutant combustion, such as stable ignition behavior, enabling large control ranges without flame instabilities and ensuring complete burnout, have significantly influenced the combustion concepts and the aspects of the necessary burner designs.
Bei den bisher bekannten schadstoffarmen Verbrennungsverfahren und den dazugehörigen Verbrennungseinrichtungen handelt es sich um NOx-Minderungsmaßnahmen der nahstöchiometrischen Verbrennung, Vermeidung von Flammentemperaturspitzen durch Rezirkulation von Verbrennungsabgasen in die Verbrennungszone sowie eine mehrstufige Verbrennung durch Aufteilung der benötigten Sauerstoffmenge auf mindestens zwei Teilströme.The previously known low-pollutant combustion processes and the associated combustion devices involve NOx reduction measures for near-stoichiometric combustion, avoidance of flame temperature peaks through recirculation of combustion exhaust gases into the combustion zone and multi-stage combustion by dividing the required amount of oxygen into at least two partial flows.
Durch wissenschaftliche Untersuchungen konnte im letzten Jahrzehnt bestätigt werden, daß die Flammentemperaturspitzen die Hauptursache für die thermische NOx-Bildung sind. Hieraus ergab sich die Forderung, eine wirksame Flammenkühlung zu schaffen. Die Flammen können durch Rezirkulation von Verbrennungsabgasen und Einmischung in die Verbrennungszone oder durch Einbauten in der Verbrennungszone gekühlt werden. Die Einbauten sind starken Hitzeeinwirkungen ausgesetzt, so daß sie einem hohen Verschleiß unterliegen.Scientific studies over the past decade have confirmed that the flame temperature peaks are the main cause of thermal NOx formation. This resulted in the requirement to create effective flame cooling. The flames can be cooled by recirculation of combustion gases and mixing into the combustion zone or by internals in the combustion zone. The internals are exposed to strong heat, so that they are subject to high wear.
Bei einem bekannten Verbrennungskonzept zur schadgasarmen Verbrennung mit Sauerstoff wurde eine impulsreiche Srömung des Hauptsauerstoffstromes zur Rezirkulation der Verbrennungsabgase vorgesehen.In a known combustion concept for low-emission combustion with oxygen, an impulsive flow of the main oxygen flow was provided for the recirculation of the combustion exhaust gases.
Zur Erzeugung der impulsreichen Strömung des Hauptsauerstoffstromes wurden Lavaldüsen vorgeschlagen (US-Patent 5 104,310), bei denen die Druckenergie in Geschwindigkeit umgesetzt wird.Laval nozzles, in which the pressure energy is converted into speed, have been proposed for generating the pulsed flow of the main oxygen stream (US Pat. No. 5,104,310).
Als Nachteile ergeben sich die hohen Herstellungskosten dieser Brenner sowie der ungenügende Regelbereich des Brenners. Geringe Schadgasemissionen werden vorrangig für den Auslegungszustand erreicht, da die Lavaldüsen nur in einem engen Bereich optimal arbeiten.The disadvantages are the high manufacturing costs of these burners and the insufficient control range of the burner. Low pollutant gas emissions are achieved primarily for the design state, since the Laval nozzles only work optimally in a narrow area.
Bei den bekannten Verbrennungsverfahren zur schadgasarmen Verbrennung werden zur Flammenstabilisierung mindestens 5 bis 10 % des zur stöchiometrischen Verbrennung erforderlichen Sauerstoffes benötigt. Durch diese großen Sauerstoffmengen wird im Bereich der Flammenwurzel zusätzlich NOx gebildet.In the known combustion processes for low-emission combustion, at least 5 to 10% of the oxygen required for stoichiometric combustion is required for flame stabilization. Due to these large amounts of oxygen, NOx is additionally formed in the area of the flame root.
Der Einsatz von Brennersteinen zur Flammenstabilität bei gleichzeitiger Reduzierung der Primärsauerstoffmengen auf 1 bis 5 % führt zu zusätzlichen Kosten, da die Brennersteine aus hochwertigen Materialien bestehen und aufgrund der hohen thermischen Belastungen einem voreilenden Verschleiß ausgesetzt sind.The use of burner stones for flame stability while simultaneously reducing the primary oxygen quantities to 1 to 5% leads to additional costs, since the burner stones are made of high-quality materials and are exposed to premature wear due to the high thermal loads.
Die bisher bekannten Verfahren zur schadgasarmen Verbrennung erfüllen die gestellten Forderungen in bezug auf verminderte NOx-Schadgasemissionen bei gleichzeitiger wirtschaftlicher Ausnutzung des Brennstoffes (kein unverbrannter Brennstoff) nur zum Teil. Sie arbeiten somit nur in einem begrenzten Bereich wirtschaftlich.The previously known methods for low-emission combustion only partially meet the demands made with regard to reduced NOx emissions with simultaneous economical use of the fuel (no unburned fuel). They only work economically in a limited area.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine Oxidation von Brennstoff mit einem überwiegend sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel unter wirtschaftlichen Bedingungen bei gleichzeitig geringerer Schadstoffbildung (NOx) über einen großen Regelbereich ermöglichen.The invention has for its object to provide a method and a device that allow an oxidation of fuel with a predominantly oxygen-containing oxidizing agent under economic conditions with simultaneously lower pollutant formation (NOx) over a large control range.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 und bei einem Brenner zur Durchführung des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 11 gelöst.According to the invention, this object is achieved in a generic method by the characterizing features of claim 1 and in a burner for carrying out the method by the characterizing features of
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.
Die Erzielung eines größtmöglichen zusätzlichen Gewinnes an einer impulsreichen Strömung des Hauptsauerstoffstromes, der zur Rezirkulation der Verbrennungsabgase erforderlich ist, wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das sauerstoffhaltige Oxidationsmittel mit einem Mindestsauerstoffgehalt von 90 % auf eine Temperatur größer 100°C durch die Verbrennungsabgase oder durch eine externe Einrichtung vorgewärmt wird. Damit kann ein auf die Verbrennungsleistung bezogene impulsreiche Strömung von mindestens 23,6 N/MW erzeugt werden. Die für die Einmischung der Verbrennungsabgase erforderliche impulsreiche Strömung des Hauptsauerstoffstromes wird bei Leistungsänderungen des Brenners (Verringerung der Menge des Hauptsauerstoffstromes) durch Erhöhung der Vorwärmtemperatur im Regelbereich von 1 : 8 nahezu ausgeglichen.The achievement of the greatest possible additional gain in an impulsive flow of the main oxygen flow, which is necessary for the recirculation of the combustion exhaust gases, is achieved according to the invention in that the oxygen-containing oxidizing agent with a minimum oxygen content of 90% to a temperature greater than 100 ° C by the combustion exhaust gases or by an external Device is preheated. This enables a pulsed flow of at least 23.6 N / MW related to the combustion output to be generated. The pulsed flow of the main oxygen flow required for the mixing in of the combustion gases is almost compensated for by changes in the burner's output (reduction in the amount of the main oxygen flow) by increasing the preheating temperature in the control range of 1: 8.
Damit wird die impulsreiche Strömung des Hauptsauerstoffstromes auch bei Laständerungen des Brenners gesichert, so daß unabhängig vom Lastbereich die NOx- und CO-Emissionen konstant gering bleiben.This ensures the pulsed flow of the main oxygen flow even when the burner changes load, so that the NOx and CO emissions remain constantly low regardless of the load range.
Durch die konstruktive Ausbildung der Düsen für den Hauptsauerstoffstrom mit einem auf die Verbrennungsleistung bezogenen Austrittsquerschnitt von mindestens 350 mm²/MW wird gewährleistet, daß sich die Strömungsverhältnisse den sich verändernden Leistungen des Brenners anpassen und somit entscheidend die wirtschaftliche Ausnutzung des Brennstoffes unter umwelttechnisch zufriedenstellenden Bedingungen ermöglichen, wobei über den gesamten Regelbereich ein stabiles Flammensignal zur sicherheitstechnischen Überwachung des Brenners gegeben ist.The design of the nozzles for the main oxygen flow with an outlet cross-section of at least 350 mm² / MW related to the combustion output ensures that the flow conditions adapt to the changing burner output and thus decisively enable the economical use of the fuel under environmentally satisfactory conditions, with a stable flame signal for safety-related monitoring of the burner over the entire control range is.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Hauptsauerstoffdüsen sind günstige Voraussetzungen geschaffen worden, daß der Außendurchmesser des Brenners klein dimensioniert werden kann.The inventive arrangement of the main oxygen nozzles has created favorable conditions for the outer diameter of the burner to be small.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung und Dimensionierungen des Zuleitungskanals für den Primärsauerstoffstrom im wassergekühlten Zuleitungskanal für den Brennstoff sowie die vorgegebene Primärsauerstofftemperatur von ≦ 30°C wird erreicht, daß eine stabile Zündflamme mit kleinen Mengen an Primärsauerstoff garantiert wird, die ein ausreichendes UV-Signal zur Überwachung des Brenners liefert. Damit werden Temperaturspitzen in der Flammenwurzel durch den geringen Primärsauerstoffstrom bei weit unterstöchiometrischer Verbrennung vermieden. Auf den Einsatz von Brennersteinen kann verzichtet werden.The arrangement and dimensions of the supply duct for the primary oxygen flow in the water-cooled supply duct for the fuel and the predetermined primary oxygen temperature of ≦ 30 ° C ensure that a stable pilot flame with small amounts of primary oxygen is guaranteed, which provides a sufficient UV signal to monitor the Brenners delivers. This avoids temperature peaks in the flame root due to the low primary oxygen flow with far below stoichiometric combustion. There is no need to use burner stones.
Die erfindungsgemäße Ausbildung des wassergekühlten Zuleitungskanals für Brennstoff und der auf die Verbrennungsleistung bezogene Brennstoff-Impulsstrom vermeiden in Verbindung mit der Temperatur des Primärsauerstoffstromes von ≦ 30°C sowie dem geringen Anteil des Primärsauerstoffstromes von < 1 % der stöchiometrisch benötigten Sauerstoffmenge Temperaturspitzen in der Flammenwurzel und damit Schadstoffemissionen. Die Flamme wird stabil am Austritt gehalten und brennt mit niedriger Flammentemperatur.Avoid the inventive design of the water-cooled supply channel for fuel and the fuel pulse flow related to the combustion output in connection with the temperature of the primary oxygen flow of ≦ 30 ° C and the low proportion of the primary oxygen flow of <1% of the stoichiometrically required amount of oxygen, temperature peaks in the flame root and thus Pollutant emissions. The flame is kept stable at the outlet and burns at a low flame temperature.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Brenner reduzieren die Schadgasemissionen und eignen sich besonders durch eine stabile und vollständige Verbrennung zur Beheizung von Industrieöfen. Die verschärften Grenzwerte für Stickoxide und Kohlenmonoxid werden weit unterschritten, so daß ein wirtschaftliches Arbeiten der gesamten Ofenanlage unter umweltschonenden Bedingungen erreicht wird.The method according to the invention and the burners according to the invention reduce the harmful gas emissions and are particularly suitable for heating industrial furnaces due to stable and complete combustion. The tightened Limit values for nitrogen oxides and carbon monoxide are well undercut, so that the entire furnace system can be operated economically under environmentally friendly conditions.
Das neue Verfahren kann mit gasförmigem und/oder flüssigem zerstäubten Brennstoff durchgeführt werden.The new process can be carried out with gaseous and / or liquid atomized fuel.
Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Brenner in den Zeichnungen schematisch dargestellt.The invention will be explained in more detail below using exemplary embodiments. In the following, exemplary embodiments of the burners according to the invention are shown schematically in the drawings.
Es zeigen
- Fig. 1
- einen Schnitt durch einen Brenner zur Durchführung des Verfahrens;
- Fig. 2
- die Ansicht A des Brennstoffaustrittes des Brenners nach Fig. 1;
- Fig. 3
- einen Schnitt durch einen Brenner zur Durchführung des Verfahren mit indirekt, über die Strahlungswärme des Ofens vorgewärmten Hauptsauerstoffstrom in konzentrisch angeordneten Zuleitungskanälen;
- Fig. 4
- einen Schnitt durch einen wassergekühlten Brenner mit externer Sauerstoff (O₂)-Vorwärmung für den Hauptsauerstoffstrom;
- Fig. 5
- ein Diagramm zur Veranschaulichung der auftretenden NOx-Bildung in Abhängigkeit von der Erdgasqualität und der Prozeßtemperatur.
- Fig. 1
- a section through a burner for performing the method;
- Fig. 2
- the view A of the fuel outlet of the burner according to Fig. 1;
- Fig. 3
- a section through a burner for performing the method with indirectly, via the radiant heat of the furnace preheated main oxygen flow in concentrically arranged supply channels;
- Fig. 4
- a section through a water-cooled burner with external oxygen (O₂) preheating for the main oxygen stream;
- Fig. 5
- a diagram to illustrate the occurring NOx formation as a function of the natural gas quality and the process temperature.
Bei den in Fig. 1, 3 und 4 dargestellten Brennern sind gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen worden. Der in Fig. 1 dargestellte Brenner besteht aus einem zentralen Zuleitungskanal 14 für den Primärsauerstoffstrom der auf der Mittelachse 10 des wassergekühlten Zuleitungskanals 16 für Brennstoffstrom angeordnet ist und somit von dem Zuleitungskanal 16 konzentrisch umgeben ist. Der Zuleitungskanal 14 ist entsprechend den Pfeilen 21 im Zuleitungskanal 16 für den Brennstoffstrom verschiebbar angeordnet und schließt bevorzugt auf einer Ebene mit dem Austritt des Zuleitungskanals 16 für Brennstoffstrom ab. Der Zuleitungskanal 16 für den Brennstoffstrom ist von Zuleitungskanälen 17a, 17b für ein Kühlmedium, vorzugsweise Wasser, konzentrisch umgeben. Das Kühlmedium strömt über Leitung 18 in den Zuleitungskanal 17a, wird bis in unmittelbare Nähe des Austritts 19 des Brennstoffstromes geführt, hier umgelenkt und strömt über die Leitung 20 aus dem Zuleitungskanal 17b. Außerhalb des wassergekühlten Zuleitungskanales 16 für den Brennstoffstrom sind Zuleitungskanäle 13 für Hauptsauerstoff angeordnet. Die Zuleitungskanäle 13 sind über einen Ringkanal 22 und Leitung 23 an eine nicht näher dargestellte Versorgungsquelle für Sauerstoff angeschlossen. Wie Fig. 1 und Fig. 2 zeigen sind die Zuleitungskanäle 13 für den Hauptsauerstoffstrom mit seitlichem Abstand zu den Zuleitungskanälen 17a, 17b für Kühlmittel angeordnet.In the burners shown in FIGS. 1, 3 and 4, the same parts have been given the same reference numbers. The burner shown in FIG. 1 consists of a
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten acht Zuleitungskanäle 13 bestehen aus separaten Rohren und verlaufen ausgehend von dem Ringkanal 22 im wesentlichen parallel zur Mittelachse 10 bis in die Nähe des Austritts 19 des Brennstoffstromes, biegen hier ab und münden jeweils in die in einem Düsenkörper 33 angeordneten acht Hauptsauerstoffdüsen 24 bis 31. Vorteilhaft sind mindestens zwei, vorzugsweise mindestens vier Hauptsauerstoffdüsen auf einem Kreis 32 vorgesehen. Die Austrittskanäle 11, 12 (Fig. 1) der Hauptsauerstoffdüsen verlaufen parallel zu dem Austrittskanal 9 des wassergekühlten Zuleitungskanals 16 für den Brennstoffstrom und haben einen Mindestachsabstand L voneinander der ein vielfaches, vorzugsweise mindestens das 3-fache, des Düsendurchmessers da der Hauptsauerstoffdüsen beträgt. Die Düsen 24 bis 31 für den Hauptsauerstoffstrom haben einen auf die Verbrennungsleistung bezogenen Austrittsquerschnitt F von mindestens 350 mm²/MW, wobei die vorzugsweise mindestens vier im Kreis 32 um den wassergekühlten Zuleitungskanal 16 für den Brennstoffstrom angeordneten Austrittskanäle 11, 12 für den Hauptsauerstoffstrom einen Durchmesser da haben, der größer als der durch die Formel
bestimmte Wert ist, wobei da in mm gemessen ist, F in mm²/MW und η die Anzahl der Austrittskanäle der Hauptsauerstoffdüsen ist. Der wassergekühlte Zuleitungskanal 16 hat am Austritt 19 des Brennstoffes einen Abstand A zu den Austrittskanälen 11, 12 der Hauptsauerstoffdüsen 24 bis 31 der einen durch die Ungleichung
bestimmten Wert hat, wobei da der Durchmesser der Austrittskanäle 11, 12 der Hauptsauerstoffdüsen ist.The eight
is a certain value, where d a is measured in mm, F in mm² / MW and η is the number of outlet channels of the main oxygen nozzles. The water-cooled
has a certain value, where d a is the diameter of the
Der Brenner ist in einem abgeschlossenen Verbrennungsraum 35 angeordnet. Über Leitung 36 strömt ein Primärsauerstoffstrom in den Zuleitungskanal 14 und über Leitung 37 ein Brennstoffstrom in den wassergekühlten Zuleitungskanal 16. Der Austrittskanal 9 für den Brennstoffstrom ist dabei nach einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel als sich zum Austritt 19 hin verengende, den Brennstoffstrom einschnürende Düse ausgebildet. Die Geschwindigkeit des Primärsauerstoffstromes liegt zwischen 1,5 und 10 m/s und des gasförmigen Brennstoffstromes zwischen 15 und 75 m/s. Der Anteil des Primärsauerstoffes beträgt mindestens 0,4 % der stöchiometrisch benötigten Menge des Oxidationsgases. Nach dem Zünden teilverbrennt Brennstoff mit dem Primärsauerstoff. Es bildet sich eine stabile Zündflamme, die ein ausreichendes Signal für einen vorzugsweise als UV-Lichtempfänger 34 ausgebildeten Sensor abgibt, der zur Überwachung des Brenners an eine Auswerteeinheit angeschlossen ist. Der Primärsauerstoffstrom strömt mit einer Temperatur < 30°C in den Zuleitungskanal 14. Der Hauptsauerstoffstrom wird vor der Oxidation mit dem Brennstoff auf eine Temperatur von mindestens 100°C vorgewärmt. Die Vorwärmung erfolgt bei Brennern gemäß den Ausführungsbeispielen in Fig. 1 und 3 über die Strahlungswärme der Verbrennungsabgase. Hierzu sind die Zuleitungskanäle 13 für den Hauptsauerstoff außenliegend und wie beim Brenner gemäß Fig. 1 dargestellt, mit seitlichem Abstand von den Zuleitungskanälen 17a, 17b für Kühlmittel angeordnet, so daß sie von allen Seiten frei von der Strahlungswärme beaufschlagt sind. Bei dem Brenner nach Fig. 3 strömt in den außenliegenden, von der Strahlungswärme der Verbrennungsabgase beaufschlagten Zuleitungskanal 13a über Leitung 23 der Hauptsauerstoff. Über parallel zur Mittelachse 10 verlaufende Zuleitungskanäle 13b, 13c wird der Hauptsauerstoffstrom umgelenkt, bevor er aus den Hauptsauerstoffdüsen 24 bis 31 austritt.The burner is arranged in a
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Brenner ist über Leitung 23 für den Hauptsauerstoff eine Einrichtung 38 zur Vorwärmung angeschlossen, mittels der der Hauptsauerstoff auf mindestens 100°C vorgewärmt wird. Unterschiedlich zu den Brennern nach Fig. 1 und 3 ist der Zuleitungskanal 13 für den Hauptsauerstoff von einem Zuleitungskanal 39 für ein Kühlmedium umgeben, das über Leitung 40 in den Zuleitungskanal 39 strömt, im Bereich des Austritts 19 des Brennstoffes umgelenkt wird und über Leitung 41 aus dem Brenner geleitet wird. Dieser Brenner kann bei hohen Ofentemperaturen betrieben werden.In the burner shown in Fig. 4, a
Der aus den Hauptsauerstoffdüsen 24 bis 31 der Fig. 1 bis 4 der Brenner austretende Hauptsauerstoffstrom strömt mit einem auf die Verbrennungsleistung bezogenen Impulsstrom bei stöchiometrischer Verbrennung von mindestens 23,6 N/MW und einer Geschwindigkeit von größer 310 m/s. Er bewirkt eine intensive Rezirkulation der Verbrennungsabgase, die sich mit dem Hauptsauerstoffstrom und dem Brenngas- und Primärsauerstoffstrom mischen. Der auf die Verbrennungsleistung bezogene Brennstoff-Impulsstrom von mindestens 0,5 N/MW am Austritt 19 liegt dabei in Abhängigkeit von der Brennstoffart zwischen 2 % und 30 %, vorzugsweise zwischen 2 % und 18 % des Impulsstromes des Oxidationsgases. Es findet eine schadstoffarme, insbesondere NOx-arme Oxidation statt, bedingt durch den Abbau von Temperaturspitzen sowie durch ein gleichmäßiges Temperaturfeld ∸ der Flamme. Desweiteren werden durch die erfindungsgemäße Ausbildung des wassergekühlten Zuleitungskanals 16 für Brennstoff und den auf die Verbrennungsleistung bezogenen Brennstoff-Impulsstrom in Kombination mit der Primärsauerstofftemperatur ≦ 30°C sowie den geringen Anteil des Primärsauerstoffes von < 1 % der stöchiometrisch benötigten Sauerstoffmenge Temperaturspitzen ∸ der Flammenwurzel vermieden. Vorteilhaft beträgt der Sauerstoffgehalt des Oxidationsgases mindestens 90 %.The main oxygen stream emerging from the
Die in den Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 4 beschriebenen Brenner zur Durchführung des Verfahrens zeichnen sich dadurch aus, daß die Stickoxidemissionen drastisch reduziert werden. Im Diagramm nach Fig. 5 ist der NOx-Anteil an trockenem Verbrennungsabgas in Abhängigkeit von der Ofentemperatur dargestellt.The burners described in the exemplary embodiments in connection with FIGS. 1 to 4 for carrying out the method are distinguished in that the nitrogen oxide emissions are drastically reduced. 5 shows the NOx content of dry combustion exhaust gas as a function of the furnace temperature.
Der schraffiert dargestellte Bereich A veranschaulicht die NOx-Emissionen bei konventionellen Erdgas/Sauerstoff-Brennern, die ohne Maßnahmen zur NOx-Minderung arbeiten. Im gesamten Temperaturbereich liegen die NOx-Emissionen weit über den Grenzwert der TA-Luft von 500 mg/m³.The hatched area A illustrates the NOx emissions from conventional natural gas / oxygen burners that work without measures to reduce NOx. In the entire temperature range, the NOx emissions are far above the limit value of 500 mg / m³ of the TA-Luft.
Die Ergebnisse der NOx-Emissionen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind im schraffierten Bereich B in Abhängigkeit von der Erdgasqualität und der Ofentemperatur dargestellt. Wie die Fig. 5 zeigt, ergeben sich bei dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Brennern wesentlich günstigere Verhältnisse, wobei eine deutliche Unterschreitung des TA-Luft-Grenzwertes erreicht wird.The results of the NOx emissions of the method according to the invention are shown in hatched area B as a function of the natural gas quality and the furnace temperature. As shown in FIG. 5, the burner operating according to the method of the present invention has considerably more favorable conditions, with the TA air limit being significantly undercut.
Noch deutlicher werden die Senkungsraten bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Schadgase NOx und CO, wenn die Emissionen auf die Enthalpie bezogen werden. Die Grenzwerte nach TA-Luft betragen für NOx ca. 450 mg/kWh und für CO ca. 90 mg/kWh. Die Istwerte der unteren Kurve des Bereiches B liegen für NOx zwischen 3,5 und 28 mg/kWh und für CO zwischen 6,0 und 18 mg/kWh. Daraus ergibt sich, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren niedrigste Schadgasemissionen bei gleichzeitig wirtschaftlicher Energieausnutzung entstehen.The reduction rates become even clearer when the method according to the invention is used for the harmful gases NOx and CO if the emissions are related to the enthalpy. The limit values according to TA-Luft are approx. 450 mg / kWh for NOx and approx. 90 mg / kWh for CO. The actual values of the lower curve of area B are between 3.5 and 28 mg / kWh for NOx and between 6.0 and 18 mg / kWh for CO. The result of this is that the process according to the invention produces the lowest harmful gas emissions while at the same time using energy economically.
Claims (17)
dadurch gekennzeichnet, daß
characterized in that
dadurch gekennzeichnet, daß
der Hauptsauerstoffstrom vom Brennstoffstrom einen Abstand A hat, der sich vom Außenrand des Brennstoffstromes zum Außenrand des Hauptsauerstoffstromes am Austritt ergibt und den durch die Ungleichung
bestimmten Wert hat, wobei da der Durchmesser des Hauptsauerstoffstromes am Austritt ist.Method according to claim 1,
characterized in that
the main oxygen flow from the fuel flow one Distance A, which results from the outer edge of the fuel flow to the outer edge of the main oxygen flow at the outlet and that due to the inequality
has a certain value, where d a is the diameter of the main oxygen stream at the outlet.
dadurch gekennzeichnet, daß
der Hauptsauerstoffstrom einen auf die Verbrennungsleistung bezogenen Austrittsquerschnitt von mindestens 350 mm²/MW aufweist.The method of claim 1 or 2,
characterized in that
the main oxygen flow has an exit cross-section based on the combustion capacity of at least 350 mm² / MW.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Sauerstoffgehalt im Oxidationsmittel mindestens 90 % beträgt.Method according to one of claims 1 to 3,
characterized,
that the oxygen content in the oxidizing agent is at least 90%.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Hauptsauerstoffstrom mittels der Strahlungsenergie der Verbrennungsabgase vorgewärmt wird.Method according to one of claims 1 to 4,
characterized,
that the main oxygen stream is preheated by means of the radiation energy of the combustion exhaust gases.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Hauptsauerstoffstrom mittels einer externen Vorwärmeinrichtung vorgewärmt wird.Method according to one of claims 1 to 4,
characterized,
that the main oxygen stream is preheated by an external preheater.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Geschwindigkeit des Hauptsauerstoffstromes größer als 310 m/s ist.Method according to one of claims 1 to 6,
characterized,
that the speed of the main oxygen flow is greater than 310 m / s.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Hauptsauerstoffstrom aus mindestens 2, vorzugsweise mindestens 4, im Kreis um den wassergekühlten Zuleitungskanal für Brennstoff angeordneten Düsen der Verbrennung zugeführt wird.Method according to one of claims 1 to 7,
characterized,
that the main oxygen stream from at least 2, preferably at least 4, arranged in a circle around the water-cooled supply duct for fuel is supplied to the combustion.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Geschwindigkeit des Brennstoffstromes zwischen 15 und 75 m/s liegt.Method according to one of claims 1 to 8,
characterized,
that the speed of the fuel flow is between 15 and 75 m / s.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Geschwindigkeit des Primärsauerstoffstromes zwischen 1,5 und 10 m/s liegt.Method according to one of claims 1 to 9,
characterized,
that the speed of the primary oxygen flow is between 1.5 and 10 m / s.
dadurch gekennzeichnet, daß
bestimmte Wert ist, wobei da in mm gemessen ist, F in mm²/MW und n die Anzahl der Düsen ist;
characterized in that
is a certain value, where d a is measured in mm, F in mm² / MW and n is the number of nozzles;
dadurch gekennzeichnet, daß
der wassergekühlte Zuleitungskanal (16) für Brennstoff am wassergekühlten Austritt (19) einen Abstand A zu den Düsen (24 bis 31) für den Hauptsauerstoffstrom hat, wobei A vom Außendurchmesser des Zuleitungskanals (16) für Brennstoff zum Außendurchmesser der Düsen (24 bis 31) am Austritt (19) gemessen ist und einen Wert hat, der kleiner als 3,9 da ist.Burner according to claim 11,
characterized in that
the water-cooled feed channel (16) for fuel at the water-cooled outlet (19) is at a distance A from the nozzles (24 to 31) for the main oxygen flow, A being from the outside diameter of the feed channel (16) for fuel to the outside diameter of the nozzles (24 to 31) is measured at the outlet (19) and has a value which is less than 3.9 d a .
dadurch gekennzeichnet, daß
der Mindestachsabstand L benachbarter Düsen (24 bis 31) für den Hauptsauerstoffstrom ein vielfaches, vorzugsweise mindestens das 3-fache des Düsendurchmessers da beträgt.Burner according to claim 11 or 12,
characterized in that
the minimum center distance L of adjacent nozzles (24 to 31) for the main oxygen flow is a multiple, preferably at least 3 times the nozzle diameter d a .
dadurch gekennzeichnet,
daß die Austrittskanäle (11, 12) der Düsen (24 bis 31) für den Hauptsauerstoffstrom parallel zu dem Austrittskanal (9) des wassergekühlten Zuleitungskanals (16) für Brennstoff angeordnet sind.Burner according to one of Claims 11 to 13,
characterized,
that the outlet channels (11, 12) of the nozzles (24 to 31) for the main oxygen flow are arranged parallel to the outlet channel (9) of the water-cooled feed channel (16) for fuel.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Zuleitungskanal (14) für den Primärsauerstoffstrom im wassergekühlten Zuleitungskanal (16) für Brennstoff verschiebbar ausgebildet ist und der Austritt des Zuleitungskanals (14) für den Primärsauerstoffstrom, vorzugsweise mit dem Austritt des wassergekühlten Zuleitungskanals (16) für Brennstoff abschließt.Burner according to one of claims 11 to 14,
characterized,
that the feed channel (14) for the primary oxygen flow in the water-cooled feed channel (16) for fuel is designed to be displaceable and the exit of the feed channel (14) for the primary oxygen flow, preferably ends with the outlet of the water-cooled feed channel (16) for fuel.
dadurch gekennzeichnet,
daß der wassergekühlte Zuleitungskanal (16) als zum Austritt des Brennstoffes sich verengende und den Brennstoffstrom einschnürende Düse ausgebildet ist.Burner according to one of claims 11 to 15,
characterized,
that the water-cooled feed channel (16) is designed as a nozzle that narrows to the outlet of the fuel and constricts the fuel flow.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Zuleitungskanal (14) für den Primärsauerstoffstrom mit einem Sensor (34), vorzugsweise einem UV-Lichtempfänger, zur Erfassung von Flammenzuständen verbunden ist, der an eine Auswerteeinheit (8) zur Flammenüberwachung angeschlossen ist.Burner according to one of claims 11 to 16,
characterized,
that the supply channel (14) for the primary oxygen flow with a sensor (34), preferably a UV light receiver, for detecting flame conditions is connected, which is connected to an evaluation unit (8) for flame monitoring.
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